半导体制造中的激光开槽工艺介绍

文章来源：Jeff的芯片世界

原文作者：Jeff的芯片世界

本文介绍了半导体后道工序中的激光开槽工艺。该技术通过激光预先烧蚀材料，为后续刀片切割扫清障碍，能有效提升芯片切割质量和效率。

在半导体制造的后道工序中，将晶圆切割成独立的芯片是封装测试的第一步，其加工质量直接影响到最终产品的良率。随着芯片制程不断向40nm及以下节点发展，为了提升芯片处理速度并降低电阻电容延迟，业界普遍引入了低介电常数材料作为芯片内部的层间电介质。然而，这些Low-k材料多为有机高分子，具有耐热性差、结合强度低等特点，给传统的刀轮划片带来了巨大挑战。传统刀片切割容易导致Low-k材料出现分层、剥离或崩边等缺陷。为了解决这一问题，激光开槽工艺应运而生，并成为高品质晶圆切割中的关键环节。

激光开槽的工艺原理与流程

激光开槽工艺，通常是指在进行最终的晶圆全切割之前，先在切割道内用激光烧蚀出两条细槽，然后再使用机械刀片在两条细槽的中间区域进行切割。这两条预先开出的细槽起到了保护作用，能有效防止后续切割时产生的崩边或裂纹向芯片内部延伸，从而提升切割质量。对于Low-k晶圆，激光开槽的主要目的是利用激光的烧蚀作用，将切割道表层脆弱的Low-k材料、测试图形或金属层先行去除，只留下单一的硅衬底，为后续的刀片切割扫清障碍。

在实际应用中，激光开槽的典型工艺流程分为三步。首先，使用两束未经扩束的精细激光束，在切割道的两侧开出距离目标宽度的两道细槽，这一步主要为了控制槽边缘的平整度。接着，使用一束经过扩束的宽光束，将第一步中两道细槽之间的Low-k材料或其他阻挡层进行烧蚀去除。最后，使用磨轮刀片在激光开槽后的区域进行全切割，将剩余的硅材料快速去除，最终分离出单颗芯片。

影响激光开槽质量的核心参数

激光开槽的效果受多个工艺参数影响，其中激光功率、激光频率和开槽速度是三个核心要素，它们共同决定了作用于材料上的能量密度，进而影响加工品质。

激光功率直接决定了材料去除的能力。功率过低时，激光能量不足以彻底气化材料，会导致烧蚀痕迹断断续续，材料去除不充分。功率过高则可能产生热影响区，在开槽区域以外造成变色，这种热损伤可能成为芯片使用的隐患。因此，选择功率的原则是在能完全去除材料的前提下，尽量使用较低的功率值。

激光频率对开槽的精细度和边缘质量有显著影响。在使用细光束开槽时，频率过低会导致单脉冲能量过高，产生明显的“爆点”和较大的崩边，烧蚀区域远大于设定宽度。随着频率提高，崩边和爆点现象会逐渐改善。当频率过高时，能量过于分散，又可能导致烧蚀不完全，槽底痕迹深浅不一。研究发现，存在一个能避免“爆点”的频率阈值，在该阈值之上，可以获得更为平滑的开槽痕迹。

开槽速度指的是承载晶圆的工作台的移动速度。速度较慢时，单脉冲能量积累多，开槽深度较深，边缘平整但外围可能存在热影响区。速度过快时，在激光频率不变的情况下，脉冲光斑之间的距离增大，会导致烧蚀区域出现明显的光斑痕迹，甚至可能出现表层材料去除不净的情况。一个适中的速度能够平衡加工效率与质量，在获得良好边缘的同时减少热影响。

激光开槽的工艺优势与品质管控

采用激光开槽与刀片切割相结合的方式，相比仅使用刀片切割具有明显优势。首先，它能有效控制芯片切割的正崩，尤其是在切割道上存在测试图形等复杂结构时，切割痕迹更加整齐。其次，由于激光已去除了脆弱的表层材料，后续的刀片切割速度可以提升2至3倍，从而显著提高整体加工效率。此外，更快的切割速度也减少了晶圆长时间浸泡在切割水中而导致的焊盘腐蚀风险。

激光开槽后的品质管控通常包括几个关键指标：开槽边缘与芯片内部的密封环之间的安全距离需大于5微米;开槽的左右偏移量需控制在2微米以内;开槽深度必须确保切透金属层并额外增加3至5微米的余量;同时，切割道附近及晶圆表面不允许有任何金属残留，以确保后续工艺的可靠性和最终产品的良率。

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